Физические тренировки повышают выносливость за счёт адаптаций в мышцах, сердечно-сосудистой и иммунной системах, однако новое исследование указывает, что этими изменениями управляет мозг. Учёные обнаружили, что активация определённой группы нейронов вентромедиального гипоталамуса сразу после тренировки необходима для увеличения физической выносливости у мышей. Работа опубликована в журнале Neuron и меняет традиционные представления о физиологии упражнений: структурные изменения в мозге не просто отражают периферические адаптации, а сами запускают их.
Нейроны SF1 в вентромедиальном гипоталамусе
Вентромедиальный гипоталамус — область глубоко в мозге, которая управляет расходом энергии, пищевым поведением и уровнем сахара в крови. Внутри неё находится популяция нейронов, экспрессирующих белок стероидогенный фактор-1 (SF1). Поскольку эти клетки регулируют метаболизм, исследователи предположили, что они могут играть активную роль в реакции организма на физический стресс, связанный с интенсивной тренировкой.
Исследователь Морган Киндел из Пенсильванского университета, Райан Дж. Пост из Провиденс-колледжа и их коллеги проверили, реагируют ли нейроны SF1 на физическую нагрузку. Они выдвинули гипотезу, что мозг активно координирует метаболическую перестройку, которая приводит к повышению выносливости. Для проверки были проведены серии экспериментов на мышах, в которых манипулировали этой небольшой группой клеток и оценивали влияние на общую физическую выносливость.
Эксперименты с блокировкой и стимуляцией нейронов
Сначала небольшую группу мышей подвергли однократной беговой нагрузке на тредмиле и проанализировали ткань мозга. Окрашивание показало увеличение числа нейронов SF1, экспрессирующих ген Bdnf (активируется при возбуждении нейронов), и общего количества транскриптов этого гена на клетку. Это указывало на то, что тренировка стимулировала данную популяцию нейронов.
Чтобы проверить эффект блокировки, в мозг мышей ввели генетический инструмент, вырабатывающий столбнячный токсин, который предотвращает высвобождение химических сигналов из нейронов SF1. При беге на тредмиле с постепенно возрастающей скоростью мыши с «выключенными» нейронами SF1 достигали истощения быстрее, чем контрольные. С помощью непрямой калориметрии (измерение потребления кислорода и выделения углекислого газа) выяснилось, что модифицированные мыши преждевременно сжигали запасы углеводов вместо использования жиров.
Затем мышей подвергли трёхнедельному тренировочному курсу на тредмиле. Контрольные мыши постепенно улучшали время бега и максимальную дистанцию. Мыши с заблокированными нейронами SF1 не смогли развить выносливость. Анализ мышц ног показал отсутствие генетических изменений, которые обычно оптимизируют использование энергии после регулярных тренировок, — то есть блокировка мозговых клеток остановила адаптацию мышц.
Для отслеживания активности нейронов в реальном времени использовали миниатюрные микроскопы на голове, регистрирующие уровень кальция (кальций поступает в нейроны при их возбуждении). В течение недели ежедневных тренировок наблюдалась специфическая подгруппа нейронов SF1, которая стабильно активировалась сразу после окончания упражнения. Со временем число таких посттренировочных нейронов и интенсивность их разрядов увеличивались.
Затем извлекли ткань мозга мышей, тренировавшихся три недели, и измерили электрические свойства отдельных нейронов SF1. По сравнению с малоподвижными животными клетки тренированных мышей были более электрически возбудимыми и чаще генерировали спонтанные потенциалы действия. Визуализация дендритов высокого разрешения показала, что у тренированных мышей было вдвое больше мелких выростов — дендритных шипиков, что означает структурную адаптацию для большего числа синаптических связей.
Поскольку активность достигала пика сразу после бега, проверили, является ли посттренировочное возбуждение основным драйвером выносливости. С помощью оптогенетики (управление нейронами светом) через оптоволоконные имплантаты подавляли нейроны SF1 ровно на 15 минут сразу после каждой ежедневной пробежки. Такое кратковременное подавление снижало прирост выносливости, который обычно достигался бы. В финальном тесте использовали другую оптогенетическую схему для искусственной стимуляции нейронов SF1 в течение часа сразу после ежедневной нагрузки. Активация в этот восстановительный период усиливала прирост выносливости сверх обычного физиологического плато. Искусственная стимуляция вызывала повышение уровня сахара в крови и общего расхода энергии, что, по мнению исследователей, может запускать метаболические сигналы восстановления, подготавливающие мышцы к будущей нагрузке.
Ограничения и перспективы
Эксперименты проводились на мышах, бегающих на тредмиле, и метаболизм грызунов не полностью соответствует физиологии человека. Адаптация выносливости у людей занимает больше времени и включает более разнообразные типы тренировок. Результаты показывают, что активация этих мозговых клеток необходима для развития выносливости у мышей, но не устанавливают, как именно мозг получает сигнал об окончании упражнения. Идентификация физических путей, передающих сигналы от утомлённых мышц обратно в вентромедиальный гипоталамус, остаётся целью будущих исследований.
Также предстоит выяснить, задействуют ли разные типы упражнений, например поднятие тяжестей или высокоинтенсивные интервальные тренировки, одни и те же нейронные пути. Картирование этой петли «мозг–тело» в перспективе может помочь в разработке терапевтических подходов для людей, которые не могут безопасно выполнять интенсивные физические нагрузки.
Исследование «Exercise-induced activation of ventromedial hypothalamic steroidogenic factor-1 neurons mediates improvements in endurance» опубликовано в мае 2026 года. Авторы: Морган Киндел, Райан Дж. Пост, Кайл Гроуз, Луиза Лантье, Ынсан Хван, Джейми Р.Э. Карти, Ленка Догналова, Лорен Липик, Хэлли К. Керн, Рэйчел Виллари, Ницан Голдштейн, Эмили Ло, Альберт Йенг, Лукас Ричи, Бриджет Скелли, Дженна Голуб, Манмит Рай, Тэппэй Фудзикава, Хулио Э. Аяла, Джоэл К. Элмквист, Кристоф А. Таисс, Дэвид Х. Вассерман, Кевин В. Уильямс, Эрик Б. Блосс и Дж. Николас Бетли.
Источник: PsyPost – Psychology News
